环氧树脂/玻璃纤维模压预浸料固化反应动力学研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.12.014

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (12): 81-87.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.12.014

环氧树脂/玻璃纤维模压预浸料固化反应动力学研究

彭新龙¹(), 曾宇清¹, 梁卓恩¹, 谢忆²

^1.广东百汇达新材料有限公司，广东肇庆 526238
^2.肇庆福田化学工业有限公司，广东肇庆 526238

收稿日期:2021-06-15 出版日期:2021-12-26 发布日期:2021-12-22
作者简介:彭新龙（1988—），男，工程师，主要从事热固性树脂基复合材料成型加工等研究工作，pengxinlong110110@163.com

Curing reaction kinetics of epoxy/glass fiber prepregs for compression molding

PENG Xinlong¹(), ZENG Yuqing¹, LIANG Zhuoen¹, XIE Yi²

^1.Guangdong Brand Builder New Materials Co，Ltd，Zhaoqing 526238，China
^2.Zhaoqing Futian Chemical Co，Ltd，Zhaoqing 526238，China

Received:2021-06-15 Online:2021-12-26 Published:2021-12-22

摘要/Abstract

摘要：

采用非等温DSC方法研究了一种模压预浸料（环氧树脂/玻璃纤维）的固化动力学，应用Kissinger和Crane方程拟合求得固化动力学参数，并建立了该预浸料固化动力学唯象模型。通过无转子硫化仪测试预浸料在不同温度下的凝胶时间，通过线性拟合得到固化温度与凝胶时间的函数关系，并对预浸料的固化工艺进行优化。结果表明，通过Kissinger和Crane方法算得该预浸料的固化反应动力学表观活化能为89.9 kJ/mol，指前因子为1.17×10¹¹ min^-1，反应级数为0.93；预浸料在模具温度为150 ℃下预热40 s，环氧树脂具有一定的流动性，并在2 MPa压力下固化300 s，可制备综合性能良好的复合材料制品。

关键词: 环氧树脂, 玻璃纤维, 预浸料, 固化动力学, 模压工艺, 复合材料

Abstract:

The curing reaction process of epoxy/glass fiber prepregs for compression molding was studied using a dynamic DSC method. The curing kinetic parameters of the prepregs were obtained using the Kissinger′s and Crane′s methods， and the phenomenological curing kinetic model was established. The gelation time of the prepregs were obtained using a free rotor vulcanizer at different temperatures. The functional relationship between the curing temperature and gelation time was calculated through a linear fitting method， and the curing process of the prepregs was optimized. The results indicated that the apparent activation energy， pre?exponential factor， and the reaction order of the prepregs were calculated to be 89.9 kJ/mol， 1.17×10¹¹ and 0.93， respectively， through the Kissinger and Crane methods. The epoxy resin exhibited a certain mobility when the molding temperature and preheating time were set as 150 ℃ and 40 s， respective. The composites presented optimal comprehensive properties after holding 300 s at a molding pressure of 2 MPa.

Key words: epoxy, glass fiber, prepreg, curing kinetics, compression molding process, composite

中图分类号:

TQ323.5

彭新龙, 曾宇清, 梁卓恩, 谢忆. 环氧树脂/玻璃纤维模压预浸料固化反应动力学研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(12): 81-87.

PENG Xinlong, ZENG Yuqing, LIANG Zhuoen, XIE Yi. Curing reaction kinetics of epoxy/glass fiber prepregs for compression molding[J]. China Plastics, 2021, 35(12): 81-87.

图/表 15

图1 PCM预浸料非等温DSC曲线

Fig.1 DSC curves of the PCM prepregs at different heating rates

β/℃·min^-1	T_i/℃	T_p/℃	T_f/℃	$?$ H/J·g^-1
5	117.7	133.6	175.6	89.2
10	125.2	143.5	183.5	99.2
15	132.2	150.1	191.5	97.7
20	136.7	154.1	199.7	94.9

β/℃·min^-1	T_i/℃	T_p/℃	T_f/℃	$?$ H/J·g^-1
5	117.7	133.6	175.6	89.2
10	125.2	143.5	183.5	99.2
15	132.2	150.1	191.5	97.7
20	136.7	154.1	199.7	94.9

表1 PCM预浸料非等温DSC测试参数

Tab.1 Dynamic DSC parameters of the PCM prepregs

表1 PCM预浸料非等温DSC测试参数

Tab.1 Dynamic DSC parameters of the PCM prepregs

图2 温度?固化度曲线

Fig.2 Curves of the curing degree?temperature

图3 非等温条件下预浸料固化反应速率?固化度关系曲线

Fig.3 Relationship between reaction rates and curing degree under non?isothermal conditions

图4 Kissinger方程线性回归图

Fig.4 Linear fit curve from Kissinger method

图5 Crane方程线性回归图

Fig.5 Linear fit curve from Crane method

图6 不同固化温度下固化度与时间之间的关系

Fig.6 Relationship between curing degree and time at different curing temperatures

图7 不同固化度下固化温度与固化时间之间的关系

Fig.7 Relationship between curing temperature and curing time at different curing degree

固化温度/℃	时间/min
固化温度/℃	α=0.9	α=0.95	α=0.99
110	36.3	46.3	62.2
120	17.2	215.0	32.1
130	9.0	11.4	16.4
140	4.5	6.1	8.5
150	2.6	3.3	5.0

表2 不同固化温度下预浸料达到特定固化度所需时间

Tab.2 Time required to reach a specific curing degree of the prepreg at different temperatures

固化温度/℃	凝胶时间/min
110	7.8
120	3.6
130	2.1
140	1.0
150	0.6

表3 PCM预浸料在不同固化温度下的凝胶时间

Tab.3 Gelation time of the prepreg at different curing temperature

图8 PCM预浸料凝胶时间与温度的拟合曲线

Fig.8 Fitting curve of gelation time and temperature of the PCM prepreg

图9 PCM预浸料凝胶曲线

Fig.9 Gelation curve of the PCM prepreg

水平	预热时间（A）/s	固化时间（B）/s	固化压力（C）/MPa
1	20	180	2
2	30	300	3
3	40	420	4

表4 PCM预浸料正交实验设计

Tab.4 Orthogonal experiment for the PCM prepreg

试验号	溢胶量/%	拉伸强度/MPa	拉伸模量/GPa	弯曲强度/MPa	弯曲模量/MPa	T_g/℃
A₁B₁C₁	14.0	414.2	20.0	493.5	25.7	115.4
A₁B₂C₂	15.7	490.6	22.7	564.2	32.7	124.6
A₁B₃C₃	18.1	538.6	28.6	768.7	35.9	130.8
A₂B₁C₂	11.2	501.8	26.8	698.3	32.8	111.5
A₂B₂C₃	9.3	455.0	22.8	618.9	29.4	108.4
A₂B₃C₁	10.6	504.5	25.6	479.4	30.4	113.7
A₃B₁C₃	8.5	528.7	28.9	725.5	29.4	113.7
A₃B₂C₁	4.5	541.9	28.4	772.6	30.3	125.6
A₃B₃C₂	6.2	498.6	27.7	738.9	32.6	138.6

表5 复合材料层合板测试数据

Tab.5 The test data of the composite?laminates

图10 预浸料模压过程压力及固化度变化示意图

Fig.10 Pressure and curing degree curves of the prepreg under given compression molding progress

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